傳統型與雙喂給轉杯紡紡紗器及其成紗性能對比

史倩倩，高 備，林惠婷，張玉澤，汪 軍,3

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.泉州師范學院 紡織與服裝學院，福建 泉州 362000；3.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

轉杯紡是目前新型紡紗領域中技術最成熟、應用面最廣的紡紗技術之一。傳統型轉杯紡的成紗流程為纖維條子經喂給羅拉喂入，在分梳輥的梳理作用下形成單纖維，之后單纖維以負壓氣流作為載體，流經輸纖通道后進入轉杯，并由滑移面滑入凝聚槽形成凝聚須條，凝聚須條不斷被加捻和剝取，剝取下來的紗條通過引紗出口來分析卷繞羅拉卷繞成筒子[1]。Sengupta等[2]利用采集技術(plucking technique)對轉杯內紗線形成過程中的纖維集合體的結構進行研究。Pillay 等[3]采用示蹤纖維技術對比了轉杯紗和環錠紗的縱向結構的差別，并用顯微鏡觀察2種紗線的橫截面，分析了紗線橫截面纖維成分和纖維轉移指數。Kimura等[4]通過研發一種新的轉杯復合紡紗系統，利用轉杯紡與包纏設備的結合，開發了具有新功能的空心棉紗線，并對如何開發出具有更大斷裂伸長率的紗線進行了探索。

上述研究成果為如何改善傳統型轉杯紡紗線結構和成紗性能提供理論依據。然而傳統型轉杯紡因單分梳技術的限制，只能純紡或者混紡性能相近的纖維原料，對于纖維性能差異較大的混紡紗卻難以順利生產，其主要原因在于每種規格的分梳輥只適合某種性能纖維原料。而且隨著中國紡紗產能的快速發展，棉花供應緊缺的矛盾日益突出，因此轉杯紡的生產品種亟需擺脫僅使用棉花的依存關系，轉向開發非棉或少棉的轉杯紗，是未來轉杯紡發展的一個趨勢。毛、麻、絲和新型化纖原料的開發與使用，將會給轉杯紗注入新的生命力[5]。

雙喂給轉杯紡紡紗器的特點是具有2個輸纖通道和2個喂給羅拉，即將原先的單喂給變為雙喂給，并配有2個不同的分梳裝置，分別在紡紗器底座上開設出左右2個對稱的分梳腔體，從而對不同纖維條單獨喂給和分梳，解決傳統型轉杯紡生產混紡紗時因分梳輥針布不能適應纖維性能差異較大纖維的問題。有學者[6]通過增加喂給羅拉的數目，將單喂給變為雙喂給，來提高轉杯紡紗線的質量。有研究[7]對配有雙喂給羅拉的紡紗器也進行了相關的探索和設計，并申請了專利。張玉澤[8]設計了具有2套喂入分梳機構裝置的雙分梳型轉杯紡紗器，實現不同纖維條子的單獨喂給和分梳，為轉杯混紡紗的開發提供了新的思路。張倩[5]通過在含有2個分梳輥的F1612轉杯紡改裝機上進行滌/棉混紡紗的紡紗實驗，研究了轉杯紡雙分梳技術中不同喂入和分梳方式對混紡紗的成紗質量和成紗結構的影響，并得出轉杯紡雙分梳技術所紡混紡紗的成紗質量符合紗線質量要求的結論。

基于現有的研究基礎，本文對比分析了傳統型轉杯紡和雙喂給轉杯紡的紡紗器結構，并數值模擬了2種轉杯紡成紗系統轉杯內部流場分布特征。通過樣紗試紡實驗，進一步分析比較了傳統型轉杯紡和雙喂給轉杯紡所紡紗線的成紗結構和成紗性能，從而驗證了雙喂給轉杯紡紡紗技術的合理性和可行性。

1 2 種轉杯紡成紗系統結構對比

相比于傳統型轉杯紡成紗系統，雙喂給轉杯紡成紗系統有2個可自調節的纖維須條喂給裝置以及2個不同的梳理裝置，2個輸纖通道分別位于轉杯的左右兩側，從而實現對不同纖維須條的單獨喂給和分梳。雙喂給轉杯紡成紗系統的工作原理和步驟同傳統型轉杯紡成紗系統相似，纖維離開通道出口后傾落在轉杯壁面，在高速旋轉的轉杯帶動下，來自 2個輸纖通道的纖維經凝聚槽集聚后加捻成紗，如圖1 所示。按照已有文獻[9-10]，假定氣流在每個輸纖通道中的流動同其在單輸纖通道中的流動相同。

2 轉杯內部流場特征對比

2.1 模型建立

圖2示出數值模擬前所建立的雙喂給轉杯紡紡紗器的幾何模型圖。圖中轉杯出口高度h為1 mm，轉杯高度H為15 mm，轉杯直徑d為40 mm，輸纖通道長度為43 mm，滑移角α為66°，引紗出口直徑為1 mm，輸纖通道間距離D為72 mm。傳統型轉杯紡紡紗器只有1個輸纖通道，其余結構參數均與雙喂給轉杯紡紡紗器相同。

圖1 2種轉杯紡紡紗器結構對比圖Fig.1 Comparison chart of rotor spinning machine in two rotor spinning systems.(a) Conventional rotor spinning machine; (b) Dual-feed rotor spinning machine

圖2 雙喂給轉杯紡紡紗器的幾何模型圖Fig.2 Geometric model chart of dual-feed rotor spinning machine

2.2 網格劃分

網格劃分是用網格線將計算區域離散劃分成多個互不重疊的子區域，并確定每個區域的節點位置及該節點所代表的控制體積。網格的形式、密度以及質量對數值計算精度和計算效率有重要影響。實驗中在計算區域采用非結構化四面體單元，并在近壁區域處細化網格。經網格劃分后，傳統型轉杯紡和雙喂給轉杯紡轉杯內流場模型的網格數目分別為1 030 182和1 108 892。

2.3 邊界條件

因氣流從分梳棍分梳腔向輸纖通道流入，故實驗中將輸纖通道入口設為速度進口邊界。引紗通道出口與外界大氣相連通，因此將引紗通道出口設為壓力入口，轉杯內氣流依靠抽氣機抽走，從而會在轉杯內形成負壓區，故將轉杯頂口與罩蓋之間的間隙，即轉杯出口設為壓力出口。參考先前學者的設置條件[11-12]，將入口速度設為20 m/s，入口氣壓和出口氣壓分別設為101 000、-7 000 Pa。并且實驗中所有的固體壁面均采用無滑移邊界條件，轉杯壁面為旋轉壁面，旋轉速度即為轉杯轉速。

2.4 數值求解

通過基于FLUENT的有限體積法來求解控制方程，并使用商業CFD軟件ANSYS 14.5運行模擬，采用SIMPLE計算方法以及二階迎風格式求解守恒方程。在求解過程中先對模型的各個條件進行初始化，再進行迭代計算直至獲得收斂解，模擬收斂精度為 1× 10-4。

2.5 轉杯內渦流對比

圖3示出雙喂給轉杯紡和傳統型轉杯紡轉杯內部氣流模擬結果?？煽闯?，2種轉杯紡成紗系統轉杯內部均產生渦流，但雙喂給轉杯紡轉杯內渦流狀似橢圓形，這可能是因為位置相對因為2個通道出口氣流的混合從而導致氣流速度的瞬間下降造成的。此外，相對于傳統型轉杯紡，雙喂給轉杯紡轉杯內渦流形狀較小。渦流偏大不僅限制纖維排列改善和混合的機會，而且會引起纖維纏結和斷裂，因此，雙喂給轉杯紡所紡紗線的成紗性能相對于傳統型轉杯紡會更好。

圖3 氣流流線和湍流黏度圖Fig.3 Chart of stream traces and turbulent viscosity.(a) Flow simulation of dual-feed rotor spinning;(b) Flow simulation of conventional rotor spinning

2.6 氣流速度分布對比

由轉杯紡的成紗原理可知，纖維的排列和集聚成紗在轉杯凝聚槽中進行[13]。圖4示出在不同凝聚槽角度和位置下2種轉杯紡成紗系統的轉杯凝聚槽周圍的氣流速度分布。從圖4(a)、(b)可以看出，雙喂給轉杯紡系統凝聚槽的氣流速度較傳統型轉杯紡系統的氣流速度高，并且中間出現明顯的波動，除此之外，2種轉杯紡成紗系統凝聚槽處氣流速度的整體趨勢較為一致。從y=3 mm時，X-Z平面上氣流速度的變化可以看出，雙喂給轉杯紡的氣流速度在X軸上的分布更為對稱，而傳統型轉杯紡在X軸負方向處的氣流速度相對x軸正反向的氣流速度相對偏高，二者間的差異是因為傳統型轉杯紡成紗系統的氣流由于單輸纖通道會在通道出口附近產生高速氣流，而雙喂給轉杯紡成紗系統正好抵消了這種氣流量差異，并且可以穩定通道出口處的氣流，從而減少了渦流結構的不均勻性，故其可以在纖維流向引紗通道的過程中對纖維進行適當地凝聚和加捻。

圖4 轉杯凝聚槽處氣流速度分布Fig.4 Velocity distribution at rotor groove.(a) y=2 mm, at different angles of rotor groove; (b) y=4 mm, at different angles of rotor groove;(c) section y=3 mm along X-axis

2.7 靜壓分布對比

在轉杯紡成紗過程中，輸纖通道中的氣流速度可達分梳輥表面速度的5倍。而轉杯中的負壓是保持預期氣流速度的重要因素。圖5示出坐標為y=2 mm 時X-Z平面上沿著X軸的雙喂給轉杯紡和傳統型轉杯紡成紗系統轉杯內的負壓對比?？芍p喂給轉杯紡成紗系統內的負壓絕對值低于傳統型轉杯紡成紗系統。前者較低的負壓現象是由于雙輸纖通道的存在使2通道出口的氣流在轉杯內相遇從而氣壓降低，并且較低的負壓有利于避免纖維的纏結，同時降低氣流加捻過程中的落纖率。

圖5 2種轉杯紡成紗系統轉杯內負壓對比圖Fig.5 Comparison of negative pressure inside rotor of two different rotor spinning systems

3 紗線結構與性能對比

3.1 基本實驗參數

實驗中傳統型轉杯紡紗單元的分梳輥速度為6 500 r/min，轉杯轉速為51 000 r/min，紗線傳輸速度為60.44 m/min。雙喂給轉杯紡紗單元的分梳輥速度為8 000 r/min，轉杯轉速為 51 000 r/min，紗線傳輸速度為68.75 m/min。實驗所紡紗線規格分別為34、42 tex，混紡紗線原料分別為棉纖維(長度為29 mm，線密度為1.8 dtex)和粘膠纖維(長度為 38 mm，線密度為1.67 dtex)。實驗過程中限定基本參數與測試儀器不變，結合紗線的品種和紡紗技術的改變，對比分析傳統型和雙喂給轉杯紡紗技術所紡紗線結構、斷裂強度以及條干均勻度的變化。在測試試樣之前，試樣均被放置在恒溫恒濕室(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%)進行調濕 24 h以達到平衡狀態。

3.2 紗線結構對比分析

采用日本日立公司生產的TM3000掃描電子顯微鏡，選取傳統型轉杯紡和雙喂給轉杯紡所紡的一定長度的樣紗制成實驗標本，并對其進行相應的預處理后，將所得實驗標本分別置于60和400放大倍數下，從而可觀察到2種轉杯紡成紗系統所紡紗線在橫截面和徑向上的紗線結構及空間構象，如圖6所示。2種紗線結構的橫截面掃描電子顯微 (SEM)圖像在外觀上并無區別。但由徑向圖可知，相較于傳統型轉杯紡紗線結構，雙喂給轉杯紡紗線結構在徑向上包纏更加緊密，毛羽較少，這是因為雙喂給轉杯紡紡紗器的第2個喂給分梳裝置對纖維進行了有效地開松，從而使其徑向結構更加規整。

圖6 2種轉杯紡成紗系統所紡紗線SEM圖像對比Fig.6 Comparison of SEM images of yarns spun in two rotor spinning systems.(a) Dual-feed cross-sectional view; (b) Conventional spun yarn cross-sectional view; (c) Dual-feed longitudinal view; (d) Conventional longitudinal section

3.3 紗線斷裂強度與毛羽指標對比分析

紗線力學性能測試在YG061型電子單紗強力機上進行，每次測試30次，測試時采用等速伸長(CRE)的方式，拉伸速度為(500±10) mm/min，隔距為(500±2) mm，預加張力為(0.5±0.1) cN/tex，測試結果見表1。采用YG172 A毛羽測試儀進行毛羽指數(≥3 mm)測量，測試速度為30 m/min。每個試樣測試10個樣本，每次測試10 m，即每個試樣共測試100 m，測試結果見表1。

表1 紗線強伸性能及毛羽指標對比Tab.1 Comparison of yarn tensile properties and hairiness index

由表1可知：4組紗線中雙喂給轉杯紡紗的斷裂強度明顯優于傳統型轉杯紡紗，其增幅分別為19.18%、30.15%、24.98%和25.63%；在斷裂伸長率方面，2種紗線并無顯著區別；而就毛羽指數來講，雙喂給轉杯紡紗的毛羽指數顯著低于傳統型轉杯紡紗，4組實驗分別降低了25.88%、29.78%、30.36%以及49.09%。由此可得，雙喂給轉杯紡紡紗器的雙喂給分梳裝置對纖維的有效開松作用使其所紡紗線相較于傳統型轉杯紡紗線的毛羽更少，結構更加緊密，從而使其紗線斷裂強度更大。

3.4 紗線條干性能對比分析

條干不勻率和紗疵測試在長嶺CT 3000條干不勻測試儀上進行，測試速度為200 m/min。每個試樣測試10個樣本，每次測試100 m，即每個試樣共測試1 000 m。測試結果見表2。

表2 紗線條干性能對比Tab.2 Comparison of yarn evenness performance

由表2可知，相比于傳統型轉杯紡紗線，雙喂給轉杯紡紗線的條干不勻率均有所降低，4組實驗分別下降了9.50%、3.51%、3.75%和10.10%；而在紗疵方面，雙喂給轉杯紡紗線細節以及棉結較傳統型轉杯紡紗線略微降低，但就紗線粗節而言，2種紗線并無明顯差異。綜上可知，雙喂給轉杯紡紗線的條干性能相較于傳統型轉杯紡紗線有所提高，這主要是由于前者的紗線結構更加緊密，從而其在成紗加捻過程中的落纖率降低，進而改善了紗線的條干性能。

4 結 論

本文在分析比較了傳統型轉杯紡和雙喂給轉杯紡的紡紗器結構、轉杯內部流場分布特征以及所紡紗線結構性能后，得出結論如下。

1)雙喂給轉杯紡紡紗器因其具備的2套喂給裝置和梳理裝置可實現對不同纖維須條的單獨喂給和分梳，并且其開松梳理作用相較傳統型轉杯紡效果更充分。

2)雙喂給轉杯紡轉杯內渦流狀似橢圓形，且相比于傳統型轉杯紡轉杯內渦流，前者的形狀較小，減少了引起纖維纏結和斷裂的機會；2種轉杯紡成紗系統凝聚槽處氣流速度的整體趨勢較為一致，但雙喂給轉杯紡的氣流速度相對較高，且氣流速度分布更為對稱，從而降低了渦流結構的不均勻性，有利于纖維的凝聚和加捻；雙喂給轉杯紡轉杯內負壓絕對值相比于傳統型轉杯紡的負壓絕對值偏低，而較低的負壓易于避免纖維的纏結，同時可降低氣流加捻過程中的落纖率。

3)雙喂給轉杯紡紗線在外觀結構上較傳統型轉杯紡紗線包纏更為緊密，毛羽相對較少；相比于傳統型轉杯紡紗線，雙喂給轉杯紡紗線的紗線強度相對較高，且后者的毛羽指數和條干不勻均有所降低，紗線的細節以及棉結也相對較少，紗線的成紗性能整體有明顯改善。

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